基于模糊Petri网的摊铺机液压调平系统故障诊断

张　超，晁鹏军，张接信(．长安大学工程机械学院，陕西西安　70064; ．天津一汽丰田汽车有限公司，天津　300457)



基于模糊Petri网的摊铺机液压调平系统故障诊断

张超1，晁鹏军2，张接信1
(1．长安大学工程机械学院，陕西西安710064; 2．天津一汽丰田汽车有限公司，天津300457)

摘要:以SP120摊铺机的液压调平系统作为研究对象，分析该系统的故障形式及其原因，提出基于模糊Petri网的摊铺机液压调平系统的故障诊断方法，用模糊Petri网表示液压调平系统故障诊断知识，建立模糊Petri网故障诊断推理模型，并利用基于图形搜索的模糊Petri网推理算法对其进行故障的推理和诊断，验证该算法的可行性，该方法应用于诊断工程机械液压系统故障是准确有效的。

关键词:模糊Petri网;故障诊断;推理模型;摊铺机;液压调平系统

沥青摊铺机是一种将拌制好的沥青混合料按照一定的宽度、厚度、压实度、平整度和工作速度要求，均匀的铺设在修建好的路面基层上，供压路机进一步碾压成型的筑路机械［1］。随着我国公路交通事业日新月异的发展，对沥青路面的使用性能有了更高的质量要求，进而也对沥青摊铺机的性能、精度尤其是其液压调平系统提出了更高的要求。摊铺机熨平板的液压调平系统作为摊铺机的一个重要特征，是影响摊铺路面平整度的最关键的系统［2－3］，其一旦出现故障，将严重影响摊铺路面的质量，从而影响整个工程项目的进展，引起重大损失。因此，及时地进行沥青摊铺机液压调平系统故障诊断和维护工作，不仅可以大大减少系统的故障发生率，节约运行成本，还可以提高设备的运转效率、可靠性和安全性，对于促进基础设施建设、加快国民经济发展具有重要意义。

1　模糊Petri网模型

Petri网是由德国科学家Carl Adam Petri于1962年提出的，它是一种有严格的数学定义，并且用网状图形表示系统模型的方法。由于Petri网具有异步、并发的特性，故常用于描述系统的动态行为［4］，目前已广泛应用于计算机科学、网络通讯、自动控制、柔性制造系统(FMS)等领域［5］。在实际的复杂系统里，影响因素往往复杂多变，使得故障诊断过程更加复杂艰难，具有很强的模糊性和不确定性，而Petri网只能处理精确知识，对此类带有不确定性、模糊知识的问题无法进行准确的分析。为此，引入模糊数学中的理论，将模糊数学中的方法与Petri网相互融合，提出基于模糊Petri网的液压系统故障诊断方法。该方法既充分考虑到系统故障的发生概率、发生程度和发生部位的模糊性，又极好地利用了Petri网推理问题严密、表达能力强的优点，是对大型复杂系统的可靠性与安全性进行分析推理的有效工具。

1．1模糊Petri网的定义

通用的模糊Petri网(FPN)定义为1个8元组［6－8］表达式为

式中P={ p1，p2，……，pn}是一个库所有限集合; T={ t1，t2，……，tn}是一个变迁的有限集合; P∩T=Φ; D={ d1，d2，…，dn}是一个命题的有限集合; I: P→T→{ 0，1}为输入函数，表示从库所到变迁的映射。若I(p，t) = 1，则表示p与t之间有联系;若I(p，t) = 0，则表示p与t之间无联系; O: T→P→{ 0，1}为输出函数，表示从变迁到库所的映射。若O(t，p) = 1，则表示t与p之间有联系;若O(t，p) = 0，则表示t与p之间无联系; f=T→［0，1］为变迁的可信度函数，表示从变迁T至一个0～1的实数的映射;α=P→［0，1］为P的一个关联函数，表示从库所至一个0～1的实数映射;β=P→D为P的关联函数，表示从库所P集合至命题集合的映射。

1．2模糊产生式规则

模糊产生式规则，即以模糊关系式表示的故障征兆和故障原因，是针对具有不确定性、带有模糊性、不精确知识的一种常用的描述方法。其主要包括3种基本类型［9－11］:

式中p1，p2，……，pn，pz为模糊命题，μ为模糊规则的置信度(CF)。

应用模糊Petri网表示模糊产生式时，将规则的前提和结论都当作Petri网中的库所，上述3种类型产生式规则的模糊Petri网表示如图1所示。

图1　模糊Petri网表示模糊产生式规则的模型

1．3模糊Petri网的推理算法

采用模糊Petri网进行故障诊断的过程，就是采取适当的推理算法对模糊Petri网模型中的知识进行推理，从而由故障现象推理出故障原因与结论。分析文献［12］的算法可知，该算法在推理过程中，已发生的库所会被删除，若再有该库所触发变迁发生，则不能使用，这种算法并不能适用于所有的情况，因此结合文献［13］采用基于图形搜索的模糊Petri网正向推理算法。首先，假设模糊Petri网中ta为一变迁，pi，pj，pk为3个库所，若pi∈I(ta)，并且pk∈O(ta)，则称pk可以从pi立即可达。也就是说pi经过1次变迁ta可到达的库所。所有可以从pi立即可达的库所组成的集合称为pi的立即可达集，记为ISR(pi) ;若pk可以从pi立即可达，pj可以从pk立即可达，则称pj可以从pi可达。也就是说pi经过一系列变迁发生后到达的库所都是pi的可达集。所有可以从pi可达的库所组成的集合称为pi的可达集，记为RS(pi) ; 若pi∈I(ta)，并且pj∈I(ta)，则称库所pi和pj是关于变迁ta的相邻库所。

若pi∈I(ta)，则pi称为变迁ta的最近向后库所，即变迁ta的输入库所为它的最近向后库所。变迁ta的所有最近向后库所组成的集合记为最近向后库所集SNBP(ta)。

在建筑劳务市场中，企业如何维护自身的可持续发展，一直都是企业管理者们头痛不已的问题。企业应当坚持从实际出发，实事求是的观点，深入调查自身存在的问题，并解决这些问题，只有这样才能促进自身的可持续发展。以下将针对当前建筑劳务企业发展中存在的主要问题展开详细论述：

若pi∈I(ta)，则pi称为变迁ta的最近向前库所。同样，变迁ta的所有最近向前库所组成的集合记为最近向前库所集SNFP(ta)。

若存在有向弧序列使得变迁ta的发生能够到达pi，则称pi为ta的向前库所，所有ta向前库所组成的集合记为SFP(ta)。

2　摊铺机液压调平系统故障与产生原因的模糊Petri网模型

通过实地考察和查阅相关文献［14－15］，对于摊铺机熨平板液压调平系统来说，发生故障的类型以及发生的原因见表1。

表1　摊铺机液压调平系统故障(p15)及产生原因

根据摊铺机液压调平系统故障及故障发生原因，把故障诊断知识用模糊产生式规则表示出来就可以建立一个简单的故障诊断知识库。下面是形成的知识库中相关的规则(以分流阀块故障(p14)为例)，其中模糊产生式规则的可信度CF应由专家根据经验总结给出:

1) IF p1THEN p11CF = 0．920; 2) IF p2THEN p11CF = 0．930; 3) IF p3THEN p11CF = 0．830; 4) IF p4THEN p12CF = 0．800; 5) IF p5THEN p12CF = 0．750; 6) IF p6THEN p12CF = 0．830; 7) IF p7THEN p13CF=0．750; 8) IF p8THEN p13CF = 0．850; 9) IF p9THEN p13CF = 0．900; 10) IF p10THEN p14CF = 0．920; 11) IF p11THEN p14CF = 0．800; 12) IF p12THEN p14CF = 0．850; 13) IF p13THEN p14CF=0．900; 14) IF p14THEN p15CF=0．910。

用模糊Petri网表示这些规则，如图2所示。

图2　分流阀块故障诊断模糊Petri网模型

3　基于模糊Petri网的摊铺机液压调平系统故障诊断过程分析

由分流阀块故障诊断的模糊Petri网模型可知，初始库所为{ p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10}，目标库所为{ p15}。诊断推理过程为改进的模糊Petri网正向推理算法，推理并计算出导致目标库所的故障原因的可信度，从而实现对故障现象的诊断。具体推理步骤如下:

1)根据图2建立各变迁的最近向后库所集SNBP、最近向前库所集SNFP和向前库所集SFP，见表2。

表2　模糊Petri网摊铺机液压调平系统分流阀块故障诊断模型SNBP、SNFP、SFP

3)已知摊铺机液压调平系统的故障现象为“分流阀块故障”，输入目标库所p15。

4) t1，输入可信度为0．800，变迁t1发生，建立新的结点n(p11，α(p11) )，其中;α(p11) =α(p1) F(t1) = 0．736;把新结点移入，旧结点移除:没有发生过的变迁集合为{ (p1，0．800)，(p11，0．736) } ;

5) t2，输入可信度为0．800，变迁t2发生，建立新的结点n(p11，α(p11) )，其中α(p11) =α(p2) F(t2) = 0. 744;由于已有结点n(p11，0．736)，经比较0．744＞0．736，则保留可信度高的值，没有发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744) } ;

6) t3与t2过程相同，没有发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744) } ;

7) t4，输入可信度为0．800，变迁t4发生，建立新的结点n(p12，α(p12) )，其中α(p12) =α(p4) F(t4) = 0. 640;把新结点移入，旧结点移除:没有发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744)，(p12，0．640) } ;

8) t5、t6过程与t4相同，这里假设t5、t6的计算结果α(p12)小于t4的计算结果α(p12)，保留可信度高的值。没有发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744)，(p12，0．640) } ;

9) t7，输入可信度为0．750，变迁t7发生，建立新结点n(p13，α(p12) )，其中α(p12) =α(p7) F(t7) = 0.563;把新结点移入，旧结点移除:没发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744)，(p13，0．640)，(p12，0. 563) } ;

10) t8、t9过程与t7相同，这里假设t8、t9的计算结果α(p13)小于t7的计算结果α(p13)，保留可信度高的值)。没有发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0．744)，(p12，0．640)，(p13，0．563) } ;

11) t10，输入可信度为0．820，变迁t10发生，建立新的结点n(p14，α(p14) )，其中α(p14) =α(p10) F(t10) = 0．754;把新结点移入，旧结点移除:没有发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0. 744)，(p12，0．640)，(p13，0．563)，(p14，0．754) } ;

12) t11、t12、t13过程与t10相同，假设t11、t12、t13的计算结果α(p14)＜t10的计算结果α(p14)，保留可信度高的值。没发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0. 744)，(p12，0．640)，(p13，0. 563)，(p14，0. 754) } ;

13) t14，输入可信度为0．790，变迁t14发生，建立新的结点n(p15，α(p15) )，其中α(p15) =α(p14)× F(t14) = 0．719;把新结点移入，旧结点移除:没有发生过的变迁集合{ (p1，0．800)，(p11，0. 744)，(p12，0. 640)，(p13，0．563)，(p14，0．754)，(p15，0. 719) } ;

14)由于目标库所p15在没有发生过的变迁集合中，且设定系统的阈值为0．6，可知p15= 0．718 9＞0. 600，并且目标库所的可信度为0．719，比较没有发生过的变迁集合中各个库所的可信度得出分流阀块故障的原因为密封件失效p1。

4　　结语

1)采用模糊Petri网作为知识表示模型，表示模糊产生式规则，能很好地处理和表示模糊知识和模糊故障信息，使得系统知识的逻辑关系更加简单、清晰; 2)可以直接利用模糊Petri网具有的同步并发特性对知识表示模型分层、分块进行推理，使得推理过程更加直观，易于在计算机上实现; 3)推理机首先根据用户输入的可信度将知识库中的规则可信度按照一定的公式进行计算，有利于减小用户信息输入量; 4)算法在推理过程中只考虑与目标库所相联系的库所及变迁，避免无关路径推理，提高了推理效率; 5)推理过程将现场的实测数据与专家经验数据相结合，使得分析诊断结果更加接近工程实际。

总之，利用模糊Petri网来建立工程机械液压系统的故障诊断系统，可以提高故障诊断的速度与准确性，是一种有效的故障检测方法。

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(责任编辑:郭守真)

Fault Diagnosis of Hydraulic Leveling System of Paver Based on Fuzzy Petri Net

ZHANG Chao1，CHAO Pengjun2，ZHANG Jiexin1
(1．School of Construction Machinery，Chang'an University，Xi'an 710064，China; 2．Tianjin FAW TOYOTA Motor CO．，Ltd．，Tianjin 300457，China)

Abstract:In order to study the reason of hydraulic leveling system failure of the paver screed，based on the hydraulic leveling system of SP120 paver as the reasearch object，the fault diagnosis method based on fuzzy Petri net theory is put forward through the analysis of the failure forms and reasons of the system．The fuzzy Petri net is utilized to represent the knowledge of the hydraulic leveling system faults．In this paper，the diagnosis inference model is established and the fuzzy Petri net inference algorithm based on graph search is used for the inference and diagnosis of fault．The feasibilty of this algorithm is verified，so this method can be applied to the fault diagnosis of hydraulic system of construction machinery accurately and effectively．

Key words:fuzzy Petri net; fault diagnosis; inference model; paver; hydraulic leveling system

作者简介:张超(1988—)，女，天津人，硕士研究生，主要研究方向为制造过程故障诊断技术．

收稿日期:2014－12－03

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．015

文章编号:1672－0032(2015) 01－0073－05

文献标志码:A

中图分类号:U415．52; TH137